13. Vlnová optika I.

Interference a ohyb světla

Od časů Isaaca Newtona si lidstvo láme hlavu problémem, je-li světlo vlnění nebo proud částic. Tento spor rozdělil svět vědy na dva zdánlivě nesmiřitelné tábory – na ty, kteří věřili po vzoru Newtona na korpuskulární podstatu světla (vč. A. Einsteina a A. H. Comptona) a na zastánce vlnové podstaty světla, v jejichž čele stál Christian Huygens následovaný T. Youngem, R. Hookem, H. Hertzem aj.).

Aby to nebylo tak jednoduché, je třeba říci: světlo má poněkud schizofrenní povahu a má jak částicové tak vlnové vlastnosti. Pro oba názory existuje řada důkazů, z nichž některé již brzy poznáme.

Někdy mluvíme o dualismu vlna – částice

neboli vlnově korpuskulárním charakteru světla.

Nejprve se budeme zabývat vlnovou podstatou světla. Jedním z jevů, které jsou vlnám vlastní, se nazývá interference. Interference světla je tak důležitým důkazem vlnové podstaty světla. Je to skládání světelných vlnění, které známe již z nauky o vlnění, např. zvukovém. Analogií je např. skládání mechanických kmitů téže frekvence, kdy se sčítaly okamžité výchylky obou oscilátorů – nebo interference elektromagnetických vlnění, při níž se sčítají okamžité hodnoty elektrické a magnetické složky elektromagnetických vln.

Kde se můžeme s interferencí setkat, je vidět? Jak vypadá?

http://www.techmania.cz/edutorium/data/fil_2500.jpg, 20. 4. 2013

http://www.biolib.cz/IMG/GAL/12045.jpg, 20. 4. 2013

Při použití přirozených zdrojů světla (Slunce, žárovka, plamen svíčky, elektrický výboj…) interferenci nepozorujeme. Vlnění se sice skládají, interference se však neprojeví, a my vnímáme jen různou intenzitu výsledného světelného vlnění. Pozorovatelná interference světelného vlnění nastane tehdy, když jsou obě skládaná vlnění koherentní, tj. mají stejné frekvence a konstantní fázový rozdíl v uvažovaném bodě prostoru.

Koherence světla z přirozeného zdroje lze sice v laboratoři dosáhnout, ale lepší podmínky pro pozorování interference vytváří světlo laserové (energetické přeměny při vzniku světla neprobíhají v laseru chaoticky jako u přirozených zdrojů světla. Velké množství atomů vyzáří světlo koordinovaně, současně, vzniklé světlo je téměř monofrekvenční).

Je-li zdrojem např. laser, tedy zdroj monochromatického světla, interferenční obrazec, tzv. interferogram vypadá jako soustava rovnoběžných, pravidelně rozložených světlých (maxim) a tmavých (minim) proužků rovnoběžných se štěrbinami. Největší intenzitu má světlý proužek uprostřed interferogramu, směrem od něho ke krajům se intenzita proužků/maxim snižuje.

Youngův pokus na dvojštěrbině (1801,

Londýn) Thomas Young, Angličan, 1773 – 1829 - využívá jednoduchého principu k získání koherentního světla - světlo z jediného zdroje se rozdělí do dvou svazků, v nichž mají světelná vlnění malá dráhový rozdíl - zatemněná místnost, úzká štěrbina jako zdroj slunečního světla - za ní dvojice štěrbin v malé vzdálenosti - na stínítku ve větší vzdálenosti byly pozorovány barevné proužky rovnoběžné se štěrbinami

Zdroje Z1 a Z2 lze považovat za zdroje koherentního světla. Z nich se šíří světlo v kulových vlnoplochách, světlo z každého zdroje by ozářilo celé stínítko S. Protože však dochází k interferenci světelných vlnění ze zdrojů Z1 a Z2 , k tzv. dvousvazkové interferenci, na stínítku pozorujeme nerovnoměrné osvětlení, interferenční obrazec.

Z1, Z2 … bodové zdroje koherentního světla A … zvolený bod na stínítku dráhový rozdíl světelných vlnění v bodě A

V interferenčním maximu se světelná vlnění setkávají se stejnou fází, výslední vlnění má největší amplitudu. Maximum vzniká v bodech, pro které platí V interferenčním minimu mají skládaná vlnění fázi opačnou. Minimum vzniká v bodech, pro které platí

Praktické využití interference Interferometrie – metoda měření velmi malých délek Holografie –metoda zobrazení trojrozměrného objektu pomocí dvojrozměrného nosiče obrazového záznamu Měření vlnové délky světla na Newtonových sklech Fyzika tenkých vrstev, reflexní a antireflexní vrstvy

Ohyb světla je pronikání světla i do oblasti tzv. geometrického stínu. Je způsobeno vlnovou podstatou světla a výrazně ovlivněno vzájemnou „velikostí“ překážky a vlnové délky světla.

Ohyb se projeví neostrou hranicí světla a stínu. Kdybychom obraz rozhraní mezi osvětlenou částí stínítka a stínem zvětšili, uvidíme tzv. ohybový (difrakční) obrazec.

Na obrázku je schéma situace, kdy na překážku (P) dopadá světlo v podobě rovinné vlnoplochy. Tu lze považovat za řadu bodových zdrojů světla. Z té části vlnoplochy, která není za překážkou, dopadá světlo na stínítko. Protože jednotlivé body vlnoplochy mají od stínítka (např. bodu A) různé vzdálenosti a vlnění z nich má v bodě A různou fázi, dochází k mnohonásobné interferenci. Bod A je pak více či méně osvětlený. Na stínítku tak vzniká soustava tmavých a světlých proužků, tzv. ohybový obrazec.

Lze jej pozorovat pouze tehdy, je-li světelné vlnění koherentní (např. zdrojem je laser). Protože vlnová délka světla je přibližně 400 – 800 nm, je ohyb pozorovatelný pouze na překážkách malých rozměrů (tenké vlákno, ostří žiletky, hrot jehly, nepatrný otvor v neprůhledné překážce) nebo pokud je pozorujeme ve velké vzdálenosti za překážkou.

Ohybový obrazec lze dobře pozorovat v případě ohybu světla na štěrbině rovnoběžné se štěrbinou monofrekvenčního zdroje. Je výrazně symetrický.

Rozložení maxim a minim závisí na vlnové délce použitého světla a na šířce štěrbiny. Užší štěrbina způsobuje výraznější ohyb světla.

Zdroj teoretický a zdroje obrázků: LEPIL, Oldřich. Fyzika pro gymnázia. Optika. Praha, Prometheus, 2002, 205 s. ISBN 80-7196-237-6 přílohy P-8 a P-9, obr. 3-3 str. 95, obr. 3-2 str. 94, obr. 3-4 str. 96, obr. 3-10 str. 103, obr. 3-11 a 3-12, str. 106, obr. 3-13 a 3-14 str. 107, obr. 3-15 str. 108, obr. 3-16 str. 109 AUTOR NEUVEDEN, Autor Neuveden. http://www.techmania.cz/edutorium/data/fil_2500.jpg [online]. [cit. 20.4.2013]. Dostupný na WWW: http://www.techmania.cz/edutorium/data/fil_2500.jpg AUTOR NEUVEDEN, Autor Neuveden. http://www.biolib.cz/IMG/GAL/12045.jpg [online]. [cit. 2.6.2013]. Dostupný na WWW: http://www.biolib.cz/IMG/GAL/12045.jpg

Děkuji Vám za pozornost

Mgr. Hana Stravová, Gymnázium Židlochovice